本發(fā)明涉及無線傳感器分布優(yōu)化方法，具體是一種基于遺傳算法的河流局域無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：
我國(guó)幅員遼闊、江河眾多，并且分布廣泛、環(huán)境復(fù)雜，對(duì)河流流域水文資料進(jìn)行采集和管理是一項(xiàng)重要基礎(chǔ)性工作，每年均需投入大量人力、物力。并且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，自然環(huán)境遭受到了嚴(yán)重的破壞，水污染日益嚴(yán)重，采取現(xiàn)代化的監(jiān)測(cè)手段加強(qiáng)對(duì)河流流域水文數(shù)據(jù)的采集和匯總，已變得尤為重要。目前對(duì)于河流流域水文數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，比較常見的是在河流周邊特定位置設(shè)置若干監(jiān)測(cè)點(diǎn)，然后采取人工監(jiān)測(cè)或是設(shè)備監(jiān)測(cè)的方式，定期收集所需要的水文數(shù)據(jù)，然后再集中進(jìn)行分析。近年來，隨著檢測(cè)技術(shù)及傳感器技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)出現(xiàn)了若干可以對(duì)河流流域水文數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的電子設(shè)備，并且借助通信技術(shù)，通過構(gòu)建傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)河流流域水文數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程傳輸。然而，對(duì)于如城市排污口等河流特定局部區(qū)域，局部水文環(huán)境過于復(fù)雜，主要體現(xiàn)在：一方面對(duì)于河床縱向斷面，由于其為類梯形結(jié)構(gòu)，存在上下對(duì)流的情況，因此在同一位置所布置的監(jiān)測(cè)設(shè)備所檢測(cè)到的數(shù)據(jù)在河床縱向斷面不具備一致性，另一方面對(duì)于河流表面，由于河流徑流走向復(fù)雜，河流水文數(shù)據(jù)會(huì)隨著徑流走向的河岸寬度發(fā)生變化，不具備一致性。通過以上分析可見對(duì)于河流特定局部區(qū)域，其區(qū)域范圍內(nèi)為具有各向異性的不均勻體，因此，對(duì)于局域監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的選取不宜采用通常的大區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均勻分布設(shè)計(jì)方法，主要是由于不能滿足河流局域水文數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)完備性、整體性、有效性的要求，這就需要根據(jù)河流局域水文數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布進(jìn)行合理優(yōu)化。目前，通過公開文獻(xiàn)可以查閱到關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化方法相關(guān)的專利申請(qǐng)以及學(xué)術(shù)期刊論文，包括公開號(hào)為CN101459915的發(fā)明專利“基于遺傳算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋優(yōu)化方法”、公開號(hào)為CN103237312A的發(fā)明專利“一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋優(yōu)化算法”，劉玉英等發(fā)表于《傳感技術(shù)學(xué)報(bào)》2009年第6期的“一種基于遺傳算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化方法”，張石等發(fā)表于《東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》2007年第4期的“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的分布優(yōu)化問題”，雷霖等發(fā)表于《電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)》2009年第2期的“基于遺傳算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化”，以及呂廣輝等發(fā)表于《微型機(jī)及應(yīng)用》2010年第15期的“一種基于遺傳算法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋模型”。雖然上述兩項(xiàng)專利申請(qǐng)及四篇公開期刊文獻(xiàn)提出了有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)覆蓋優(yōu)化方法以及網(wǎng)絡(luò)路徑優(yōu)化方法，但就該方法本身其旨在如何解決在一定范圍內(nèi)部署無線傳感器時(shí)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋及路徑優(yōu)化問題，評(píng)判方法優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)為是否實(shí)現(xiàn)了對(duì)要部署區(qū)域的覆蓋率，或是在區(qū)域內(nèi)是否實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸路由。其所涉及的研究及

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
并沒有涉及到如何利用所監(jiān)測(cè)對(duì)象的特性以及固有屬性來進(jìn)行監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)布局的優(yōu)化，因此其所研究的成果及發(fā)明申請(qǐng)的內(nèi)容是不能夠滿足或應(yīng)用于河流局部區(qū)域監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)布局優(yōu)化工作。雖然上述專利申請(qǐng)及公開文獻(xiàn)給出了一種在一定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行傳感器布局覆蓋優(yōu)化的方法，但就河流排污口等河流局部區(qū)域水文數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)而言，由于局部水文環(huán)境過于復(fù)雜，并且在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)小范圍內(nèi)，水文數(shù)據(jù)具有一致性的特點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的分布更多考量的是監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)采集到的數(shù)據(jù)能否反映河流局部區(qū)域水文環(huán)境的全貌，以及各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)是否具有典型性，與上述兩項(xiàng)發(fā)明專利申請(qǐng)所專注的重點(diǎn)是不一致的，并且目前在河流流域水文監(jiān)測(cè)領(lǐng)域尚未出現(xiàn)有關(guān)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化方法的報(bào)道。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是根據(jù)上述河流排污口等河流局部區(qū)域水文數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的需要，考慮到局部水文環(huán)境過于復(fù)雜，并且在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)小范圍內(nèi)，水文數(shù)據(jù)具有一致性的特點(diǎn)，以及監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)采集到的數(shù)據(jù)要能反映河流局部區(qū)域水文環(huán)境的全貌，各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)要具有典型性的要求，提供一種基于遺傳算法的河流局域無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化方法。一種基于遺傳算法的河流局域無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化方法，包括如下步驟：(1)優(yōu)化問題描述：針對(duì)河流局部區(qū)域監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布的需要，假設(shè)在局域內(nèi)按網(wǎng)格狀均勻分布N個(gè)水文數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)；(2)初始化遺傳算法參數(shù)，并對(duì)染色體進(jìn)行第一代編碼，這里采用二進(jìn)制隨機(jī)編碼方式，0表示不使用該監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，1表示使用該監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，則對(duì)于N個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)生成長(zhǎng)度為N的二進(jìn)制串，如下式所示：X＝[x1,x2,…,xN]xi＝{0,1}(3)計(jì)算每個(gè)染色體的適應(yīng)度，適應(yīng)度函數(shù)為：f(X)＝w1f1(X)+w2f2(X)+w3f3(X)+w4β1+w5β2其中，f1表示水位分布差異率，f2表示流速分布差異率，f3表示水質(zhì)分布差異率，β1表示河道坡度比降，β2表示河流走向參數(shù)，β1和β2對(duì)于特定河流區(qū)域?qū)儆诤恿骰A(chǔ)地形數(shù)據(jù)，S＝{S1,S2,…,SN}表示監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)集合，S*＝{Sj,|xj＝1}表示S的子集，N(S*)表示S*的大小，分別表示對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)位置的河流水位、流速和水質(zhì)，分別表示對(duì)應(yīng)所有使用監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)位置的河流平均水位、平均流速和平均水質(zhì)，w1、w2、w3、w4和w5分別表示f1、f2、f3、β1和β2的權(quán)重。對(duì)于河道坡度比降β1高的地方，其對(duì)應(yīng)河流的流速和流量就會(huì)增加，而河流走向參數(shù)β2的大小與地球自轉(zhuǎn)偏向力有關(guān)，其也會(huì)影響河流的流量和流速；(4)對(duì)計(jì)算后適應(yīng)度進(jìn)行排序，并按比例選取最優(yōu)解；(5)按照輪盤賭方法，選擇染色體到下一代染色體群體；(6)對(duì)下一代染色體群體執(zhí)行交叉、變異操作，本發(fā)明采用多點(diǎn)交叉和均勻變異；(7)如果滿足終止條件，則結(jié)束，否則回到步驟3)繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)計(jì)算結(jié)束時(shí)，其所得到的最優(yōu)解為長(zhǎng)度為N的二進(jìn)制串，該串中的1的位置序號(hào)表示經(jīng)過分布優(yōu)化計(jì)算后所確定的需要使用的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)序號(hào)，通過其即可獲知對(duì)于河流局部區(qū)域監(jiān)測(cè)所需要采用的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。本發(fā)明使用遺傳算法將河流局部區(qū)域監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為0/1規(guī)劃問題，通過染色體的遺傳、交叉及變異等遺傳算法操作，并通過適應(yīng)度值的比較最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的合理分布優(yōu)化選取。另外，發(fā)明的算法采用了多個(gè)評(píng)估指標(biāo)對(duì)適應(yīng)度進(jìn)行加權(quán)評(píng)估，分別是“水位分布差異率”、“流速分布差異率”、“水質(zhì)分布差異率”、“河道坡度比降”和“河流走向參數(shù)”，這可以供決策者根據(jù)河流局部區(qū)域的水文環(huán)境的差異，靈活調(diào)整指標(biāo)權(quán)重，從而提升算法的適應(yīng)性。附圖說明圖1是本發(fā)明基于遺傳算法的河流局域無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化方法的流程圖；圖2是采用本發(fā)明方法進(jìn)行算例測(cè)算時(shí)，適應(yīng)度值隨迭代次數(shù)變化的優(yōu)化效果示意圖。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本發(fā)明中的附圖，對(duì)本發(fā)明中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。對(duì)于如城市排污口等河流特定局部區(qū)域，由于局部水文環(huán)境過于復(fù)雜，因此不能按照河流流域整體監(jiān)測(cè)中所采用的按照如沿河流徑流固定距離方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布布局的方式，這主要是由于局部水文環(huán)境變化較大，少量的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)無法反應(yīng)局部水文環(huán)境的全貌，并且在監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)小范圍內(nèi)，水文數(shù)據(jù)具有一致性。因此，必然要增加監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的布置數(shù)量，這就需要對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的分布進(jìn)行合理優(yōu)化，即達(dá)到能夠反映局部水文環(huán)境全貌的目的，又要降低監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的布置數(shù)量，同時(shí)各監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)具有典型性。一般情況下，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化模型的問題描述如下：假設(shè)在河流局部區(qū)域按網(wǎng)格狀均勻分布N個(gè)水文數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)集合為S＝{S1,S2,…,SN}，這里可以采用分別計(jì)算在開啟或者關(guān)閉該監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的情況下，對(duì)所有啟用的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所采集到的水文數(shù)據(jù)的差異性進(jìn)行評(píng)估，選取最能反映局部區(qū)域水文環(huán)境全貌以及所采集數(shù)據(jù)最具典型性的開啟監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)組合作為節(jié)點(diǎn)分布最優(yōu)組合。本發(fā)明采用遺傳算法作為工具，對(duì)河流局域監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化問題進(jìn)行智能計(jì)算求解，并將節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)0/1規(guī)劃問題，以求得在假設(shè)網(wǎng)格狀分布的眾多監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)中實(shí)際選擇布置哪一些，在保證能夠反映河流局部水文環(huán)境全貌并且所采集到的數(shù)據(jù)最具典型性的情況下，只需要在若干位置布置最少的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。在本發(fā)明中，將河流局部區(qū)域按網(wǎng)格狀均勻分布N個(gè)水文數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)按照遺傳算法基本理論，進(jìn)行二進(jìn)制染色體編碼，即N個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)編碼為長(zhǎng)度為N的二進(jìn)制串，如下式所示：X＝[x1,x2,…,xN]xi＝{0,1}其中，xi＝0表示不使用該監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，xi＝1表示使用該監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。分別計(jì)算每個(gè)染色體編碼的適應(yīng)度函數(shù)值來評(píng)價(jià)群體中的每個(gè)染色體的適應(yīng)值。在河流局域監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化問題中，采用了“水位分布差異率”、“流速分布差異率”、“水質(zhì)分布差異率”、“河道坡度比降”和“河流走向參數(shù)”五個(gè)指標(biāo)，分別反映了河流局部區(qū)域內(nèi)各采集節(jié)點(diǎn)水文數(shù)據(jù)的差異性，差異越大說明對(duì)水文環(huán)境全貌的反映程度越高，監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)越具有典型性。在本發(fā)明中，采用f1來表示水位分布差異率，采用f2來表示流速分布差異率，采用f3來表示水質(zhì)分布差異率，采用β1表示河道坡度比降，采用β2表示河流走向參數(shù)，β2和β2對(duì)于特定河流區(qū)域?qū)儆诤恿骰A(chǔ)地形數(shù)據(jù)。對(duì)于監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)集合S＝{S1,S2,…,SN}，S*＝{Sj,|xj＝1}表示S的子集情況下，f1、f2和f3的定義式分別為：其中，N(S*)表示S*的大小，分別表示對(duì)應(yīng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)位置的河流水位、流速和水質(zhì)，分別表示對(duì)應(yīng)所有使用監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)位置的河流平均水位、平均流速和平均水質(zhì)。通過分別計(jì)算f1、f2和f3并結(jié)合β1、β2，可以計(jì)算染色體最終的適應(yīng)度值為：f(X)＝w1f1(X)+w2f2(X)+w3f3(X)+w4β1+w5β2其中w1、w2、w3、w4和w5分別表示f1、f2、f3、β1和β2的權(quán)重，并且w1+w2+w3+w4+w5＝1。另外，由于的量綱不同，這里在計(jì)算過程中需要將其進(jìn)行歸一化操作，即轉(zhuǎn)化到[0,1]區(qū)間。經(jīng)過上述運(yùn)算即可以得到最終的染色體適應(yīng)度f(wàn)，該值越大，表示所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)分布方案越優(yōu)。在本發(fā)明中，采用輪盤賭選擇下一子代群體，并采用多點(diǎn)交叉和均勻變異算法對(duì)群體中的染色體進(jìn)行改變。輪盤賭即選擇染色體i的概率和染色體的適應(yīng)度值成正比，適應(yīng)度較高的染色體被選擇的可能性較高，并能夠在下一子代中重復(fù)出現(xiàn)。多點(diǎn)交叉的做法是，產(chǎn)生長(zhǎng)度為N的隨機(jī)二進(jìn)制序列，基于該隨機(jī)二進(jìn)制序列選擇交叉點(diǎn)，為1的位置上交叉，為0的位置不交叉。假設(shè)N的大小為20，并且交叉之前的兩個(gè)染色體分別為：產(chǎn)生的隨機(jī)二進(jìn)制序列為[00101100010101110100]，則交叉產(chǎn)生的兩個(gè)新染色體為：均勻變異的做法是，為群體中的每個(gè)染色體中的每個(gè)基因產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)ρ∈[0,1]，如果該隨機(jī)數(shù)小于變異概率ρm，則選擇該染色體的基因進(jìn)行變異。假設(shè)要變異的染色體為：變異算子選擇該染色體的第2、8位的基因進(jìn)行變異，則新產(chǎn)生的染色體為：其中為新生成的0/1隨機(jī)數(shù)。經(jīng)過上述循環(huán)迭代優(yōu)化計(jì)算，當(dāng)計(jì)算結(jié)束時(shí)，其所得到的最優(yōu)解為長(zhǎng)度為N的二進(jìn)制串，該串中的1的位置序號(hào)表示經(jīng)過分布優(yōu)化計(jì)算后所確定的需要使用的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)序號(hào)，通過其即可獲知對(duì)于河流局部區(qū)域監(jiān)測(cè)所需要采用的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實(shí)施過程，這里基于某城市的一個(gè)污染企業(yè)河流排污口水文數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)需要給出采用本發(fā)明算法進(jìn)行監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)布局優(yōu)化的測(cè)試算例。在此算例中，以污染企業(yè)河流排污口為邊界中心，劃定1000m×1000m的監(jiān)測(cè)區(qū)域。假定按照均勻網(wǎng)格狀安裝100個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，這里使用本發(fā)明的優(yōu)化算法對(duì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的布局做優(yōu)化選擇。遺傳算法的參數(shù)設(shè)定為：群體規(guī)模為50，變異概率ρm＝0.05，在遺傳算法中一般通過循環(huán)進(jìn)化迭代的方式對(duì)初始染色體群體進(jìn)行運(yùn)算以找出最優(yōu)染色體，在這里將遺傳迭代運(yùn)算的代數(shù)設(shè)定為150，水位分布差異率、流速分布差異率、水質(zhì)分布差異率、河道坡度比降、河流走向參數(shù)的權(quán)重分別為w1＝0.125、w2＝0.125、w3＝0.5、w4＝0.125和w5＝0.125。20次優(yōu)化計(jì)算的平均適應(yīng)度值(差異性值)為0.9458，平均需要的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量為15.6。圖2給出了本算例中，采用遺傳算法進(jìn)行迭代優(yōu)化，其平均適應(yīng)度值(差異性值)隨著迭代次數(shù)的增加的變化曲線，隨著迭代次數(shù)的增加，其平均適應(yīng)度值(差異性值)不斷增大，表明每次迭代計(jì)算后，對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)分布方案越優(yōu)。當(dāng)?shù)?50代，其平均適應(yīng)度值(差異性值)已達(dá)最大值，表明此時(shí)的節(jié)點(diǎn)分布方案最優(yōu)。另外，為了將本發(fā)明方法與通常的河流局域監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)選取方法的效果進(jìn)行對(duì)比，這里針對(duì)算例中所優(yōu)選的16個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)一步采用通常河流局域監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)選取過程中所采用的參數(shù)，包括“水位差”、“流速差”，并分別取權(quán)重為w1＝0.5、w2＝0.5，經(jīng)過計(jì)算所選取的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)“水位差”、“流速差”參數(shù)的差異性值為0.7654。從而看出與本發(fā)明中的方法相比，采用通常河流局域監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)選取方法中的“水位差”、“流速差”參數(shù)為依據(jù)所獲得監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布反映河流局域水文數(shù)據(jù)的能力低于本發(fā)明方法中的以“水位分布差異率”、“流速分布差異率”、“水質(zhì)分布差異率”、“河道坡度比降”和“河流走向參數(shù)”參數(shù)為依據(jù)所獲得監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布反映河流局域水文數(shù)據(jù)的能力。因此，從優(yōu)化測(cè)算及參數(shù)對(duì)比結(jié)果可以看出，采用本發(fā)明方法進(jìn)行布局優(yōu)化選擇，依據(jù)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)所采集數(shù)據(jù)反映該排污口水文數(shù)據(jù)全貌的能力以及所采集數(shù)據(jù)的典型性作為判據(jù)，可以很好地實(shí)現(xiàn)河流局部區(qū)域監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)分布優(yōu)化的設(shè)計(jì)。